08 - Forjamento

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MET242 – Transformação Mecânica dos Metais
FORJAMENTO
MET242 – Transformação Mecânica dos Metais
 	O forjamento é, com absoluta certeza, o mais antigo dos processos de transformação mecânica de metais, com registros datando de cerca de 7.000 anos atrás. Há evidências de que o forjamento foi usado no Egito antigo, Grécia, Pérsia, Índia, China e Japão para a fabricação de armas, jóias e uma variedade de utensílios. Naquela época, os artesãos que dominavam as técnicas do forjamento eram tratados com muito respeito e consideração.
	 	 		 Por volta de 1600 A.C., na ilha de Creta antiga, placas de pedra gravadas eram usadas como matrizes para gravação em ouro e prata. Isto evoluiu para a fabricação de moedas, mediante um processo semelhante, cujos registros datam de cerca de 800 A.C. Matrizes mais complexas foram usadas em Roma, por volta de 200 A.C. 
	 	 		 		 A evolução do for-jamento permaneceu estagnada durante muitos séculos, até o surgimento do martelamento com guia, no final do século VIII D.C. Este desenvolvimento permitiu o ingresso definitivo do forjamento na indústria, como processo de fabricação. 
	Atualmente, o forjamento é um importante processo industrial, larga-mente utilizado na fabricação de componentes de elevada resistência para a indústria automotiva, aeroespacial e outras aplicações. 
						 Tais componentes incluem eixos de manivela para motores (virabrequins), bielas, engrenagens, componentes estruturais para aeronaves e peças para turbinas de motores a jato. 
						 	 Além disso, lingotes de aço e outras ligas metálicas são submetidos a operações primárias de forjamento, produzindo formas básicas que são subseqüentemente usinadas.
HISTÓRIA
MET242 – Transformação Mecânica dos Metais
 Forjamento é um processo de conformação no qual modificam-se a geometria, as dimensões e as propriedades mecânicas de um corpo metálico pela ação de tensões compressivas diretas.
FORJAMENTO A QUENTE
	 recuperação e recristalização
	 mais comum
FORJAMENTO A FRIO 
	 encruamento
	 para peças de geometrias mais simples
 A ação das matrizes se dá mediante a aplicação de golpes rápidos e repetidos (martelos de queda livre ou acionados) ou pela aplicação lenta de intenso esforço compressivo (prensas hidráulicas, excêntricas e de parafuso).
	 formas complexas (matrizes fechadas)
	 oxidação e contração térmica: sobremetais
	 tolerâncias mais estreitas
	 formas simples (matriz aberta)
TEMPERATURA DE TRABALHO
CLASSIFICAÇÃO
DEFINIÇÃO
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FORJAMENTO LIVRE (MATRIZ ABERTA)
	 baixa produtividade
	 formas simples e regulares (eixos, rodas, anéis, etc.)
FORJAMENTO EM MATRIZES FECHADAS
	 alta produtividade
	 para peças de geometrias complexas
	 peças de grandes dimensões
	 normalmente realizado com martelos, embora operações de 
 desbaste de lingotes devam ser feitas em prensas hidráulicas
	 maior homogeneidade estrutural 
	 melhor qualidade dimensional 
	 normalmente realizado em prensas mecânicas, embora algumas 
 peças, mais simples, possam ser forjadas em martelos. 
VARIAÇÃO: Forjamento em Matriz Fechada sem Rebarba
	 controle rigoroso do volume de metal a ser forjado
GRAU DE RESTRIÇÃO AO FLUXO DE METAL
CLASSIFICAÇÃO
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FORJAMENTO A QUENTE EM MATRIZ ABERTA
	As matrizes de forjamento livre são, na maioria das aplicações, planas ou com ligeiros contornos superficiais que auxiliam a amoldar a peça. Além disso, a peça deve ser manipulada freqüentemente (girando-a periodicamente e/ou mo-vendo-a para frente e para trás) para se atingir a mudança de forma desejada. A habilidade do operador é um fator importante para o êxito nestas operações. 
	Um exemplo de forjamento em matriz aberta é a transformação de grandes lingotes fundidos de aço com seção quadrada ou hexagonal em barras de seção transversal circular. 
			Operações de forjamento em matriz aberta produzem formas grosseiras e são necessárias operações subseqüentes de beneficiamento das peças para obtenção da geometria e dimensões finais. 
			 			 Uma importante con-tribuição do forjamento livre a quente é a obtenção de uma estrutura metalúrgica favorável no metal, devida não só aos fenômenos de recuperação e recristaliza-ção, mas, também à diminuição da porosidade interna nas peças forjadas.
	 desbaste utilizando matrizes com superfícies convexas, côncavas 
 e planas, este último caso conhecido como estiramento. 
	 corte e fendilhamento, como operação intermediária.
	 recalque de cilindros, para a produção de discos e rodas
	 forjamento de anéis, empregando combinações de matrizes
OPERAÇÕES TÍPICAS:
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ANÁLISE DO FORJAMENTO EM MATRIZ ABERTA
DEFORMAÇÃO DO METAL NO ESTIRAMENTO POR FORJAMENTO
FACE 2
FACE 1
hi
hf
FACE 1
b
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 TENSÕES INDUZIDAS NO RECALQUE DE CILINDROS
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 TENSÕES INDUZIDAS NO ESTIRAMENTO EM ESTADO PLANO
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 INFLUÊNCIA DAS ZONAS DE FLUXO RESTRINGIDO SOBRE 
O ESFORÇO NECESSÁRIO PARA O FORJAMENTO EM MATRIZ ABERTA
A
B
C
D
E
D/h
3,0
2,5
2,0
1,5
1,0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
0
10
20
30
40
50
60
70
80
A
B
C
D
E
PRESSÃO CRESCENTE
REDUÇÃO DE ALTURA, %
CARGA CRESCENTE
REDUÇÃO DE ALTURA, %
A
B
D
C
A
D/h
3,0
B
1,7
C
1,0
D
0,5
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D/h
= 3,0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
CARGA CRESCENTE
REDUÇÃO DE ALTURA, %
FACES
POLIDAS
FACES
RETIFICADAS
FACES
TORNEADAS
m crescente
REDUÇÃO DE ALTURA, %
CARGA CRESCENTE
m decrescente
3840.unknown
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  CÁLCULO DO ESFORÇO NECESSÁRIO PARA ESTIRAR POR 
 FORJAMENTO A QUENTE NO ESTADO PLANO DE DEFORMAÇÃO
Estado Plano: wi = wf = w
Não se sabe, a priori, se dsx será negativo ou positivo
FACE 2
FACE 1
FACE 1
b/2
b/2
p
t
p
t
h
dx
x
x’
sx + dsx
sx
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	Como já vimos, para o caso do estado plano de deformação, o critério de 
von Mises estabelece que: 
S
Para deformação a quente é razoável admitir S constante. 
 dsx = dp
Condição de contorno:
 			Na borda da matriz (x = b/2), a tensão sx será nula e, de acordo com a equação (1), a pressão p deverá ser igual a S.
Ou, finalmente:
(1)
 Válida para
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s
Colina de Fricção
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Considerando a simetria da distribuição de pressão sobre a peça e a expressão encontrada para p(x), obtemos:
A carga total, P, para executar a operação é dada por:
A pressão média é
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  CÁLCULO DO ESFORÇO NECESSÁRIO PARA FORJAR UM DISCO
p =Y
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FORJAMENTO A QUENTE EM MATRIZES FECHADAS
Processos básicos:
	 rebarbação
	 corte, aquecimento
	 Recalque de eixos: recalcadoras horizontais
	 Etapas de forjamento: esboçadora, formadora, calibradora
	 acabamento superficial
Comparação do forjamento a quente convencional com o de precisão 
	 controle da temperatura do aquecimento 
	 controle do corte e das dimensões do tarugo 
 recalque, espalhamento e ascensão
Seqüência de processamento
	 precisão dimensional e geométrica de matrizes e insertos 
	 limpeza, etapas de forjamento
	 tratamento térmico
	 Forjamento em cilindros
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FORJAMENTO A FRIO
Processos básicos:
	 etapas de forjamento
	 corte
	 lubrificação
	 recozimentos intermediários
	 a quente, a frio, morno ou isotérmico 
	 martelos (queda livre e auxiliados) 
 recalque e extrusão
Seqüência de processamento
	 prensas (excêntricas, de parafuso e hidráulicas)
FORJAMENTO DE PRECISÃO
	 menores sobremetais, sem rebarbas, sem ângulos 
 de extração e raiosde arredondamento menores 
EQUIPAMENTOS DE FORJAMENTO
	 recalcadoras
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 Tarugo cortado e esboçado Primeiro forjamento Forjamento Final Peça rebarbada
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SEQÜÊNCIA DE OPERAÇÕES NO ESTIRAMENTO DE UMA BARRA
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CUNHAGEM
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A formação de rebarba visa:
	 garantir preenchimento correto das matrizes
	 acomodar defeitos de forjamento
	 escoar excesso de material do tarugo
A rebarba é a região do forjado que sofre deformação mais intensa
Operação de rebarbação
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p
m
=
t
Y
3
2
σ
p
=
-
x
0
2
b
³
³
x
bw
P
p
=
(
)
(
)
x
x
x
x
d
p
w
wd
p
P
2
b
2
b
2
b
2
b
ò
ò
-
-
=
=
x
x
exp
d
2
b
h
2
S
w
2
P
2
b
0
ò
ú
û
ù
ê
ë
é
÷
ø
ö
ç
è
æ
-
m
×
=
(
)
dr
r
2
r
2
D
h
2
Y
rdr
2
r
p
P
2
D
0
2
D
0
ò
ò
p
ú
û
ù
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ë
é
÷
ø
ö
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è
æ
-
m
=
=
p
=
exp
÷
ø
ö
ç
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æ
-
m
m
=
\
1
h
b
h
Sw
P
exp
ï
þ
ï
ý
ü
ï
î
ï
í
ì
m
-
ú
û
ù
ê
ë
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-
÷
ø
ö
ç
è
æ
m
÷
÷
ø
ö
ç
ç
è
æ
m
p
=
D
h
1
h
D
D
h
2
YD
P
2
2
exp
÷
ø
ö
ç
è
æ
m
=
h
D
Y
p
exp
ú
û
ù
ê
ë
é
÷
ø
ö
ç
è
æ
-
m
×
=
x
exp
x
2
b
h
2
S
)
p(
(
)
ú
û
ù
ê
ë
é
÷
ø
ö
ç
è
æ
-
m
=
r
2
D
h
2
Y
r
p
exp
(
)
0
hw
wd
2
hw
d
=
-
+
+
x
x
x
x
s
t
s
s
0
h
pd
2
h
d
h
=
-
+
+
\
x
x
x
x
s
m
s
s
0
h
pd
2
d
=
+
\
x
x
m
s
x
d
h
2
p
dp
m
-
=
\
ò
ò
-
=
\
x
d
h
2
p
dp
m
te
C
h
2
p
ln
+
-
=
\
x
m
te
C
2
b
h
2
S
ln
+
×
-
=
\
m
b
h
S
ln
C
te
×
+
=
\
m
S
ln
h
b
h
2
p
ln
+
+
-
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\
m
m
x
÷
ø
ö
ç
è
æ
-
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x
2
b
h
2
S
p
ln
m